Naturens karbonatsystem, den dynamiska kemin som involverar koldioxid (CO2), karbonat (CO32-), bikarbonat (HCO3-), och kolsyra (H2CO3), är en viktig komponent i biosfären. Karbonat, bikarbonat, och kolsyra uppstår när atmosfärisk koldioxid löser sig i haven, som är den största sänkan för denna växthusgas. Forskare är intresserade av att bättre förstå karbonatsystemet för att potentiellt hjälpa till att underlätta kolbindningssystem, särskilt med kolbindande mineraler, att bidra till att mildra klimatförändringarna. Karbonatsystemet är också centralt för biologiska andningssystem, ytterligare en anledning till att forskare är intresserade av denna kemi.

Nyligen, en grupp kemister från University of California, Berkeley slog sig ihop med forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) och gjorde banbrytande upptäckter om karbonatarternas beteende vid saltvattenytor, som havets. De rapporterar sina resultat den här veckan i The Journal of Chemical Physics , från AIP Publishing.

Enligt en av tidningens författare, UC Berkeley kemiprofessor Richard Saykally, en stark motivation för denna forskning var att förstå de kemiska processer som är involverade i kolbindning. De fann att medan neutral kolsyra var mest närvarande vid ytan, som förväntat, den mer högladdade karbonatjonen var rikligare än den svagare bikarbonatet.

"Vi vill generellt förbättra vår förståelse av den globala kolcykeln, " Saykally sa. "Aspekterna av denna cykel som vi har fokuserat på börjar med att koldioxid i atmosfären löses upp i saltvatten, följt av mycket intressant kemi."

Koldioxid fångas upp av vattenytan och hydratiseras för att bilda kolsyra eller bikarbonat, som sedan kan joniseras till antingen bikarbonat eller karbonat där karbonat kan reagera med lösta magnesium- eller kalciumjoner för att bilda kalksten.

"Vi vill veta alla steg som går från gasformig koldioxid i atmosfären till kalksten, "Sa Saykally." Vårt mål är att förstå alla detaljer i alla steg i den processen. "

UC Berkeley kemi doktorand Royce Lam, en medförfattare till artikeln som ledde mycket av forskningen, ville bygga på tidigare undersökningar av hydratiseringsstrukturen hos arter av kolsyrasystem, med fokus på de relativa förekomsterna av karbonatarter vid vätskeytan.

Samarbetar med LBNL:s Dr Hendrik Bluhm, Lam och medförfattare använde sig av omgivande tryck fotoemissionsspektroskopi (APPES) strållinje (11.0.2) vid Advanced Light Source synkrotronen vid LBNL, att utföra röntgenfotoemissionsspektroskopi (XPS)-mätningar – ett sätt att undersöka molekylernas sammansättning av material med hjälp av en intensiv stråle av högenergiröntgenstrålar. XPS-systemet gjorde det möjligt för dem att undersöka olika aspekter av karbonatsystemet som de inte hade tillgång till tidigare.

"Det som är speciellt med XPS är att det gör att vi kan sondera på olika djup i vattenytan, " sa Lam. "Detta är en av de få strållinjerna i världen som kan göra den här typen av experiment på vätskor."

För prover, Lam kombinerade lösningar av karbonat och saltsyra, som lyckligtvis liknade havssystemet. Med en flytande mikrojetanordning, forskarna injicerade dessa prover i en vakuumkammare och undersökte dem med flera röntgenenergier för att härleda de relativa mängderna av karbonatarterna från de fotoemitterade elektronerna.

Vid vätskeytan, både karbonat och kolsyra var rikligare än biokarbonat. Den mest betydande överraskningen var att det mer högladdade karbonatet var rikligare vid ytan än det mindre laddade bikarbonatet, som strider mot förväntningar från befintliga teoretiska modeller.

Detta väcker viktiga frågor om var bikarbonatet kan röra sig i systemet, med en möjlighet att karbonatet kan vara "jonparning" med natrium, ändra kemi, och få bikarbonat att flytta till lägre djup.

"Vi arbetar fortfarande med teorin och vi hoppas att detta dokument kommer att stimulera ytterligare teoretisk diskussion som faktiskt kan ge definitiva insikter om vad som pågår här, " sa Lam.

Lam hoppas att denna forskning också ska leda till mer direkt forskning om kolbindningsmöjligheter.

"Så, nästa steg skulle vara att titta närmare på jonparning, och huvudsakligen kalkstens- eller mineralbildning, specifikt, tittar på interaktionen mellan kalcium- och magnesiumjoner med karbonat, " Lam sa om en kolbindningsmöjlighet som han diskuterade.

Saykally anser att denna forskning ansluter till hela systemet med vattenhaltig karbonatkemi, med tillämpningar som sträcker sig från kolbindning till biomedicinsk forskning.

"För att uppnå den här typen av framsteg, Jag tror att du måste känna till varje detalj av kemin som är involverad i alla dessa steg i vattenkarbonatsystemet." Saykally sa:"Det är en mycket intrikat kemi med djupgående praktiska implikationer."